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GW190814:8亿光年外黑洞吞下一个神秘天体令天文学家百思不得其解

这张示意图显示出两个黑洞相互绕旋,在合并过程中释放出重力波,橘色色带表示从这个系统所释放出的最高辐射量。 雷射干涉仪重力波观测站(Laser Interfero

这张示意图显示出两个黑洞相互绕旋,在合并过程中释放出重力波,橘色色带表示从这个系统所释放出的最高辐射量。 雷射干涉仪重力波观测站(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory,简称LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)在2019年8月14日观测到这次合并事件,并发现其中较小天体的质量约为太阳的2.6倍,这个不可思议的质量大小介于中子星和黑洞之间,或许能让天文学家厘清两者的界线。 IMAGE BY N. FISCHER, S. OSSOKINE, H. PFEIFFER, A. BUONANNO (MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS), SIMULATING EXTREME SPACETIMES (SXS) COLLABORATION

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:NADIA DRAKE编译:邱彦纶):黑洞吞下的这个神秘天体,令天文学家百思不得其解,这个由重力波(gravitational waves)观测所发现的未知天体,挑战了天文学家对大质量恒星剧烈爆炸死亡的理解。

宇宙中发生了一起神秘事件。

在大约8亿光年之外,有个黑洞吞噬了一个不明的天体,这次合并释放出的能量激起了时空的涟漪。 这种名为「重力波」的涟漪跨越了浩瀚的宇宙,于2019年8月14日抵达地球。 地球上有三个灵敏度极高的探测器,测量到记录此次合并事件的微小扰动──而天文学家在理解重力波中隐藏的讯息时,却遇到了新的谜团。

在激光干涉仪重力波观测站(数百名科学家曾参与过它的研究工作)以及意大利一座类似设备──室女座干涉仪所侦测到的数十次宇宙合并事件中,这次名为GW190814的宇宙碰撞非常特别。 这两个天体已经彼此互绕数百万年、或甚至数十亿年了,它们之间的距离以螺旋形愈靠愈近,直到最后互相碰撞。 天文学家推算出其中一个天体是质量为太阳23倍的黑洞,而另一个被黑洞囫囵吞下的天体质量约为太阳的2.6倍──是个无法定义的神秘天体。

「可以确定的是,我们之前从未见过这样的东西。 」薇姬. 卡洛耶拉(Vicky Kalogera)表示。 她统筹撰写此次合并事件的报告,该研究发表于6月27日出版的《天文物理期刊通讯》(Astrophysical Journal Letters)。

这个神秘天体恰好处在临界点上,介于像恒星一样拥有表面的天体以及黑洞这种时空无底洞之间。 它的质量在已知最重的中子星(恒星发生超新星爆发后遗留的残骸)与最轻的黑洞(恒星残骸足够致密而塌缩成的密度无限大的点)之间。

科学家一直在研究中子星与黑洞之间的边界,因为这个边界能让我们得知物质在宇宙最极端条件下的行为。 而且也因为这些奇特天体是恒星演化的终点,就某种程度而言,当所有恒星都燃烧殆尽之时,可能只剩下它们飘浮在空荡的宇宙之中。 正因如此,确认GW190814事件中奇特天体的特性,就变得更加吸引人了。

「如果它是顆中子星,那這顆中子星的質量可真是讓人興奮。 如果它是个黑洞,那这个黑洞的质量也同样令人兴奋,」卡洛耶拉表示:「无论如何,当我们看到它的那一刻,我们的天线都要竖起来了! 」

聆听重力之声

重力波以光速传播,所经之处的一切事物都会受到它的影响。 但是,它们弯曲时空的程度太小,因此极难探测。 雷射干涉仪重力波观测站(LIGO)设在美国华盛顿州和路易斯安那州的探测器,以及设在意大利的室女座干涉仪,会发射出来回反弹的激光光束,测量光线传播所需的时间。 若正常传播的时间发生了任何微小的改变,可能就是由时空的收缩或膨胀所引起的。

这样的观测方法在2015年第一次成功,观测结果最终荣获诺贝尔物理学奖。 此后,多数侦测都指向了成对黑洞的碰撞事件。 天文学家也探测到中子星碰撞所产生的时空涟漪。 但是,GW190814与之前的碰撞合并事件不同,科学家们还在努力确认这起事件中两个天体的真正性质。

这次事件中,较重的那个天体很明显是个黑洞,而较轻的天体则和少数几个已知天体一样,质量介于中子星和黑洞之间,落在科学家所称的质量间隙内。 在这个间隙的某个位置,物质变得不稳定而塌缩成一个黑洞,而中子星恰好处在这个极限值的边缘。

「大自然对物质要能稳定的密度施加了一个极限,」美国航天总署(NASA)戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center.)的札文. 阿州曼尼恩(Zaven Arzoumanian)说:「但我们不知道那个极限是什么,也不知道超过极限之後的物质会变成什么样子。 」他所负责的中子星内部组成探测器(NICER)从国际空间站(International Space Station)上进行和中子星相关的研究实验。

美国亚利桑那大学的(University of Arizona)费丽雅. 奥佐(Feryal Özel)的研究正是专注在中子星的质量界限,她表示观测显示中子星的质量上限约为2.1倍太阳质量,且大多数都接近1.4倍太阳质量。 虽然有观测指出有更重的中子星(约为2.5倍太阳质量)存在,但这个数据并仍尚未获得确认。 研究中子星内部物理特性的理论,也难以解释当中子星质量更大时,究竟是什么阻止了恒星继续塌缩。

在这个质量间隙的另一侧,目前观测到的最轻黑洞质量约为太阳的5倍。 直至最近,天文学家几乎没有发现任何介于2.1倍太阳质量与5倍太阳质量之间的天体。 雷射干涉仪重力波观测站有发现另一个质量约为太阳的2.7倍的天体,属于两颗中子星撞在一起的产物。

目前,我们仍不清楚最近这次合并事件中的黑洞是吞噬了另一个黑洞,还是吃了一颗中子星当作点心。

奥佐表示:「如果最终证实那是一颗中子星──假设中子星的质量能够达到2.6倍的太阳质量──那可真的是一种典范转移。 」

她和卡洛耶拉怀疑这个天体是否为一个小质量的黑洞。 奥佐说:「我们还无法用物理解释为什么不能有2.6倍太阳质量的黑洞存在。 」但他们两位都指出想要确切查证相当困难。 这个天体系统对其他天文台来说距离太过遥远,无法进行研究。 此外,这两个不对称天体的质量差异还隐藏着另一个线索:如果那个黑洞的质量再小一些,就可能观测到它扭曲并撕碎接近的中子星,而不是一口吞下。 这种混乱的合并过程,会在重力波里留下得以识别的痕迹。

「我想我们没有任何机会得知那个天体究竟是什麽,」奥佐说表示:「就是没有证据显示它是中子星,但这点也无法说明什麽。 」

未知的起源

即使我们不知道那个天体究竟是什么,但GW190814事件中的两个天体仍然特别引人注意,因为它们很不相配。 雷射干涉仪重力波观测站和室女座干涉仪观测到的碰撞事件中,两个天体的质量大多相对接近,但GW190814事件中的黑洞约为23倍太阳质量,几乎是另一个天体的9倍。

「我们先前真的没见过这种情形,」奥佐说:「这可能会为我们以前做不到的重力测试开启一扇窗,也让我们不禁怀疑,这类的双星组合是如何形成的。 」

这个系统的不对称性让科学家很难解释其起源和环境。 举例来说,在球状星团这样围绕星系旋转的紧密恒星集团中,成对致密天体的质量可能更为接近。 在星系内独立演化的系统可能产生不平衡的成对天体,但这类系统发生碰撞的机会,应该不会频繁到能让我们看到这样的观测结果。

研究团队还在考虑更奇特的形成过程,像是多个合并系统、松散结合的星团,以及天体掉进绕着超大质量黑洞旋转的物质圆盘里等状况。

但是,正如宇宙中存在无限的可能性一样,也有许多未知相伴。

「中子星的一个迷人之处在于,它们代表物质在重力塌缩时的最后一站,」阿州曼尼恩说:「在中子星发生内爆并塌缩到本身的事件视界之内、永远无法再次见到它之前,物质所能达到的最高稳定密度究竟是多少呢? 」




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